Странные вещи могут произойти, когда волна достигает границы. В океане волны цунами, едва заметные на глубокой воде, могут стать довольно большими на континентальном шельфе и берегу, поскольку волны замедляются и их масса движется вверх.
Эффект Казимира — это притяжение двух незаряженных параллельных пластин, поскольку между ними исключаются виртуальные квантово-механические волны с длинами волн, превышающими расстояние между пластинами, поэтому виртуальные поля снаружи пластин толкают их внутрь. Параллельные пластины, частично погруженные в воду, притягиваются друг к другу, поскольку более длинноволновые водные волны, несущие импульс, исключаются из центральной области. (Предположение о морском эффекте Казимира между пришвартованными кораблями все еще обсуждается.)
Теперь ученые показали, что плавающий, симметрично колеблющийся робот будет испытывать силы, когда приближается к границе. Эти силы можно использовать для самодвижения без необходимости использования более типичных механизмов, таких как гребной винт.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Под руководством к.т.н. Студент Стивен В. Тарр из Технологического института Джорджии построил на 3D-принтере круглый поплавок диаметром 12 см и массой 368 г. На борту они установили моторы с батарейным питанием, которые вибрируют лодку с контролируемой частотой, создавая вибрационные движения вдоль продольной оси (крена). При включении аппарат создавал на поверхности воды серию симметричных волн одинаковой длины, исходящих от нее.
Акриловый лист был помещен рядом в воду, чтобы действовать как граница, достаточно длинный, чтобы эффективно создать одномерную систему, поэтому нужно было контролировать только движение лодки перпендикулярно стене. Вдали от стены (относительно размера лодки и длины волн на воде) на лодку не действовала результирующая сила. Но вблизи стены было замечено, что лодка, генерирующая волны, ведет себя либо притягивающе, либо отталкивающе, в зависимости от ее начального расстояния от стены и частоты генерируемых водных волн.
Исследователи использовали веб-камеру, чтобы записать движение лодки, и измерили ее боковое движение (перпендикулярно стене), а также измерили ее ускорение в этом перпендикулярном направлении (которое составляло менее 100 микрометров в секунду в квадрате). Волны, исходящие от колеблющейся лодки, наблюдались и измерялись с помощью высокоскоростной камеры с помощью шлирен-фотографии, которая измеряет изменения скорости потока жидкости, наблюдая изменения ее показателя преломления.
Когда лодка начиналась близко к стене — примерно на половине ее радиуса или меньше — лодка все больше притягивалась к стене, поскольку ее начальное расстояние уменьшалось, а частота ее колебаний увеличивалась (и, следовательно, увеличивалась и частота волн на воде). На средней дистанции, на начальном расстоянии около двух третей радиуса и на более низких частотах, сила, действующая на лодку, стала слегка отталкивающей, отодвинув ее от стенки. На больших расстояниях (относительно радиуса) результирующей силы на лодке не было.
Поскольку ускорение было довольно небольшим, менее 10 миллионных гравитационного ускорения земной поверхности («g»), были предприняты шаги, чтобы изолировать силы от кратковременных эффектов вязкости, сопротивления лодки из-за самих волн и инерция лодки. Тем не менее, силы были небольшими, менее 100 микроньютонов.
Явление чистой силы и самораспространения волн, исходящих от лодки, возникло, когда отраженные волны от стены ударились о корпус лодки с достаточной энергией. Со стороны стенки лодки отраженные волны ударялись о корпус с меньшей высотой волны (амплитудой), чем покидали его, из-за дисперсии волн при их движении по поверхности воды. Эти меньшие возвращающиеся волны вычитались из более крупных излучаемых волн, мешая и эффективно уменьшая амплитуду волн, излучаемых лодкой со стороны стены.
По сути, лодка излучала асимметричные волны, большие в направлении, противоположном стене, и меньшие по направлению к стене. Эта асимметрия между двумя сторонами лодки привела к возникновению силы притяжения к стене.
Дальше от стены отраженные волны имели слишком маленькую высоту, чтобы повлиять на генерацию чистых волн, но все же имели некоторый импульс, что приводило к небольшой силе отталкивания. Вдали от стены отраженные волны рассеялись и не создавали значимой силы.
Частотная зависимость возникла потому, что, хотя энергия отраженной волны увеличивалась с увеличением частоты, контакт излучаемых волн со стеной приводил к сложной динамике на линии контакта, рассеивая значительную энергию и изменяя амплитуду отраженных волн.
«Наше исследование является потрясающим примером множества явлений, ожидающих своего открытия на стыке физики и робототехники», — сказал Дэниел Голдман, соавтор и профессор физики в Технологическом институте Джорджии, который называет эту область «робофизикой».
«Проведение и использование аналогий из других разделов физики (в данном случае эффекта Казимира в квантовой теории поля ) может быть полезно при разработке новых подходов к движению роботов, аналогичных нашей предыдущей работе по «механической дифракции» в волнообразных безконечных системах», — Гольдман заключил.